專利名稱：利用定向天線的無線多跳網(wǎng)絡(luò)高速通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是通過低速的無線通信鏈路 協(xié)商控制高速定向天線鏈路來實現(xiàn)大吞吐量通信的方法。
技術(shù)背景定向天線系統(tǒng)可以有效提升Ad hoc網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸吞吐量及效率，已經(jīng)成為Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)研究的重點。定向通信的基本特征是在不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡姆较蛏夏芎妮^少，從而提 高了空間利用率，減弱了信號直射反射疊加造成的"多徑效應(yīng)"在正確的方向上功率增 大、覆蓋范圍提高、鏈路的可靠性增強(qiáng)。雖然網(wǎng)絡(luò)中的定向天線傳輸速率較大，帶寬較大， 但是由于其通信信號是定向傳輸，所以要在不同的節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)，需要不斷的調(diào)整定向 天線的方向，并且定向天線不能同時與不同方向的其他多個天線建立連接；而網(wǎng)絡(luò)中的全 方向無線鏈路是低速率的傳輸線路，不能夠進(jìn)行大吞吐數(shù)據(jù)傳輸，但是節(jié)點間通信不需要 進(jìn)行方向調(diào)整。因此，在報文傳輸過程中通過合理的調(diào)度定向天線的使用，并對齊波束方 向進(jìn)行適時的調(diào)整，理論上可以有效的提高系統(tǒng)吞吐量、鏈路連通時間等性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用定向天線的無線多跳網(wǎng)絡(luò)高速通信方法，它充分利用網(wǎng) 絡(luò)環(huán)境中高速定向天線通信系統(tǒng)與低速的無線自組織網(wǎng)絡(luò)鏈路，利用自組織網(wǎng)絡(luò)的全向無 線鏈路為大吞吐數(shù)據(jù)傳輸提供協(xié)商控制機(jī)制，從而更有效的實現(xiàn)定向天線通信的調(diào)度與數(shù) 據(jù)傳輸。為完成本發(fā)明的目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是1) 將網(wǎng)絡(luò)環(huán)境劃分為不同的區(qū)域，使每個區(qū)域中均有一個可以利用定向天線收發(fā)數(shù) 據(jù)的節(jié)點；2) 將區(qū)域之間需要發(fā)送的數(shù)據(jù)匯集到帶有定向天線的節(jié)點；3) 定向天線發(fā)送節(jié)點通過無線鏈路與定向天線接收節(jié)點進(jìn)行協(xié)商；4) 定向天線節(jié)點收發(fā)雙方進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；5) 定向天線接收節(jié)點將接收的數(shù)據(jù)通過無線鏈路交付目的節(jié)點。利用網(wǎng)絡(luò)中存在的 低速全方向無線鏈路通過多跳通信可與網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點通信的特性進(jìn)行高速定向天線間 通信的協(xié)商控制，高速的定向天線鏈路根據(jù)協(xié)商協(xié)議確定指向，完成大吞吐量定向數(shù)據(jù)傳 輸。本發(fā)明的有益效果是(1)結(jié)合了高速定向天線與低速無線網(wǎng)絡(luò)各自的特點，充分 利用網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)施，實現(xiàn)協(xié)商與數(shù)據(jù)傳輸分離；(2)可以通過定向天線實現(xiàn)大吞吐量長 距離的無線通信。


圖1是大吞吐數(shù)據(jù)傳輸原理圖；圖2是數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)商控制協(xié)議分離示意圖；圖3是協(xié)商流程；圖4是大吞吐數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)度流程圖； 圖5是定向天線鏈路協(xié)商與收發(fā)調(diào)度原理圖。
具體實施方式
-本發(fā)明是利用定向天線的無線多跳網(wǎng)絡(luò)高速通信方法需要考慮三方面的問題首先對 整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)定向天線的位置劃分為不同的區(qū)域，移動節(jié)點所屬區(qū)域可以按照預(yù)先設(shè) 定來指定，也可根據(jù)移動節(jié)點位置動態(tài)調(diào)整；第二，即如何將區(qū)域內(nèi)的信息匯集到定向天 線所在節(jié)點，考慮的因素有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、目的節(jié)點所在區(qū)域等；第三，協(xié)商控制協(xié)議部 分，需要考慮等待傳輸?shù)亩ㄏ蛱炀€是否空閑，因此需要考慮傳輸?shù)呐抨犈c優(yōu)先級策略。如圖1的原理圖所示，區(qū)域之間需要發(fā)送的數(shù)據(jù)匯集到帶有定向天線的節(jié)點，同時通 過全方向的無線鏈路(閃電線所示)來協(xié)商數(shù)據(jù)發(fā)送，然后收發(fā)雙方的定向天線互相指向?qū)?方完成數(shù)據(jù)傳輸，最后定向天線接收端根據(jù)數(shù)據(jù)的記錄信息通過全向鏈路交付目的節(jié)點。下面分三個部分介紹本發(fā)明的
具體實施例方式1、 協(xié)商控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆蛛x如圖2所示，本發(fā)明充分利用了網(wǎng)絡(luò)中定向天線鏈路與其他無線鏈路的優(yōu)點。網(wǎng)絡(luò)中 的定向天線傳輸速率較大，帶寬較大，而網(wǎng)絡(luò)中的全方向無線鏈路的節(jié)點間通信不需要進(jìn) 行方向調(diào)整。本發(fā)明結(jié)合了兩者優(yōu)勢，實現(xiàn)了協(xié)商控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆蛛x，在定向天線進(jìn) 行傳輸同時，用通信方便的無線鏈路進(jìn)行通信協(xié)商，而協(xié)商協(xié)議本身不需要太多的數(shù)據(jù)傳 輸。2、 區(qū)域內(nèi)信息匯集策略本發(fā)明將網(wǎng)絡(luò)環(huán)境按照其本身的節(jié)點間組織關(guān)系劃分為不同的區(qū)域,在每個區(qū)域中均 有一個可以利用定向天線收發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點。區(qū)域內(nèi)的傳輸數(shù)據(jù)可以選擇直接通過全向無線 鏈路發(fā)送，也可以選擇匯集到定向天線節(jié)點發(fā)送，我們需要定義一個標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行選擇。由 于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的通信鏈路中，節(jié)點均維護(hù)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點的路由表項，因此可以根據(jù)路 由表項以及等待發(fā)送的數(shù)據(jù)量的大小，定義其信息匯集到定向天線節(jié)點的閾值函數(shù)如下f = DataVolumn _ k * Hop;其中Hop表示到目標(biāo)節(jié)點的距離，使用經(jīng)過節(jié)點的個數(shù)(即"跳數(shù)")表示，DataVolumn 表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)量。當(dāng)f的值大于某一數(shù)值時，發(fā)送節(jié)點將會把數(shù)據(jù)信息匯集到擁有定 向天線的節(jié)點，通過定向天線發(fā)送信息，否則選擇直接發(fā)送數(shù)據(jù)。3、 大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膮f(xié)商控制協(xié)議包括數(shù)據(jù)傳輸順序問題，本地定向天線的空閑問 題，對方定向天線的空閑問題，等待傳輸消息發(fā)送的排隊問題等。3.1、協(xié)商的內(nèi)容通過定向天線通信，需要對通信的參數(shù)及通信時機(jī)等進(jìn)行協(xié)商，本發(fā)明的協(xié)商控制協(xié) 議負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)通信雙方，并控制通信過程。為實現(xiàn)定向天線間的通信，需要協(xié)商以下內(nèi)容: 雙方通信的頻率、通信信道，通信量大小，通信時間及收發(fā)雙方是否空閑并能夠通信等。3.2、 協(xié)商的流程如圖3的流程圖所示，當(dāng)發(fā)送節(jié)點收到匯集的大數(shù)據(jù)量待發(fā)送信息，節(jié)點向目標(biāo)定向 天線節(jié)點通過低速無線鏈路發(fā)送協(xié)商報文并協(xié)商控制定向天線發(fā)送的過程即為協(xié)商流程。 協(xié)商分為"請求發(fā)送報文"與"請求響應(yīng)報文"兩種，"請求發(fā)送報文"中包含序號、 待發(fā)送信息的大小、目標(biāo)定向天線節(jié)點地址、優(yōu)先級等。"請求響應(yīng)報文"包含序號、是 否同意立即接收、發(fā)送地址等。發(fā)送端收到允許立即發(fā)送的"請求響應(yīng)報文"即可發(fā)送數(shù) 據(jù)。在圖3所示的流程圖中，發(fā)送節(jié)點收到區(qū)域內(nèi)匯集的大數(shù)據(jù)量待發(fā)送信息后，根據(jù)其 數(shù)據(jù)量大小以及緊急程度，給定一個初始優(yōu)先級后，將其作為一個發(fā)送任務(wù)放入到排隊隊 列中。當(dāng)此任務(wù)滿足發(fā)送條件調(diào)入到傳輸處理單元準(zhǔn)備發(fā)送時，發(fā)送端向數(shù)據(jù)的接收端發(fā) 送"請求發(fā)送報文"，此后發(fā)送端的處理單元等待接收端的響應(yīng)報文。此時，當(dāng)接收端收 到發(fā)送端發(fā)出的協(xié)商報文——"請求發(fā)送報文"，首先將任務(wù)加入掛起隊列隊尾，若不能 立即進(jìn)行此任務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸，則返回要求等待的"響應(yīng)報文"，發(fā)送端收到后則進(jìn)入等待 狀態(tài)；若能立即傳輸，接收端發(fā)送立即接收的"請求響應(yīng)報文"，雙方立即建立連接并進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)接收端無法立即進(jìn)行該任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸時，則要根據(jù)自己的調(diào)度策略，當(dāng)可 以開始進(jìn)行此任務(wù)的接收時，則向發(fā)送端發(fā)送立即接收的"請求響應(yīng)報文"，并等待數(shù)據(jù) 傳輸?shù)倪M(jìn)行。發(fā)送端收到此立即接收的響應(yīng)，則發(fā)送處理單元不再等待，隨即丌始與接收 端建立連接并完成數(shù)據(jù)傳輸。3.3、 數(shù)據(jù)排隊與發(fā)送調(diào)度方案1) 基于優(yōu)先級的排隊調(diào)度策略首先描述定向天線節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)的排隊策略，考慮各個定向天線節(jié)點上待發(fā)送信息 的排隊調(diào)度方案。按照待發(fā)送節(jié)點初始信息的數(shù)據(jù)量大小及初始的緊急程度，給每個待發(fā)送信息登記一個初始優(yōu)先級值Starti，隨著排隊時間的延長，動態(tài)統(tǒng)一調(diào)整排隊隊列中待 發(fā)送信息的優(yōu)先級，增量值統(tǒng)一定為Ai，等待時間越長，優(yōu)先級增加越大，但所有已經(jīng)排隊的待發(fā)送信息之間的優(yōu)先級關(guān)系不會改變，因此不會出現(xiàn)死等現(xiàn)象。2) 大吞吐數(shù)據(jù)發(fā)送的發(fā)送調(diào)度策略通過上述3.2部分的協(xié)商流程，收發(fā)雙方都維護(hù)有待發(fā)送信息的參數(shù)信息。所謂發(fā)送 調(diào)度策略，就是通過調(diào)整定向天線的收發(fā)，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?。由于定向天線收發(fā)數(shù)據(jù) 首先要保證收發(fā)雙方空閑，因此需要調(diào)整策略，更有效的利用定向天線進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。本 發(fā)明給出了一種基本的數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)度方案，在調(diào)度方案中，由于定向天線同時可能需要發(fā) 送、接收數(shù)據(jù)，因此方案要重點考慮在避免死鎖的情況下，盡可能快地完成數(shù)據(jù)傳輸。本調(diào)度方案流程如圖4所示調(diào)度是一個循環(huán)往復(fù)的過程，在每個節(jié)點維護(hù)一個發(fā)送 數(shù)據(jù)的排隊隊列， 一個進(jìn)入調(diào)度的掛起隊列SuspendQueue，以及一個當(dāng)前正在處理的稱 為ProcessUnit的數(shù)據(jù)傳輸單元。在完成上一次調(diào)度后，首先在每個定向天線節(jié)點判斷掛
起隊列中是否還有發(fā)送任務(wù)，若沒有，則從排隊隊列中取出一個加入到掛起隊列中，即保 證"至多有一個發(fā)送任務(wù)在掛起隊列或者當(dāng)前傳輸單元中"，若用Ts表示發(fā)送任務(wù)，Rs 表示接收任務(wù)，NumTs與NumRs分別表示發(fā)送和接收的任務(wù)數(shù)。上述過程給出了針對發(fā)送任務(wù)的約束，用公式可描述為-<formula>formula see original document page 6</formula>數(shù)據(jù)傳輸單元中至多有一個任務(wù)存在，艮卩<formula>formula see original document page 6</formula>接下來，從掛起隊列隊首取出要處理的新任務(wù)，如果是接收任務(wù)，則發(fā)送協(xié)商響應(yīng)報 文給發(fā)送端要求立即接收；如果是發(fā)送任務(wù)，則發(fā)送"發(fā)送請求報文"給接收端，等待響 應(yīng)報文到來，發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端接收到此報文，則將信息放賈在掛起隊列隊尾，等待本地 進(jìn)程取出處理。本地隊列一次調(diào)度完畢，直到數(shù)據(jù)傳輸完成，丌始下次調(diào)度。3)實例說明圖5給出一個簡單實例說明調(diào)度策略，第一張圖中A節(jié)點正向C節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，圖中標(biāo) 識出了幾個節(jié)點的排隊隊列、掛起隊列，處理單元等調(diào)度信息情況?？芍狟節(jié)點已經(jīng)發(fā)出 向C節(jié)點傳輸?shù)恼埱?，并已?jīng)加入C的掛起隊列；第二張圖描述了AC通信結(jié)束后調(diào)度策略 的調(diào)度工作，C取出掛起隊列隊首任務(wù)，發(fā)現(xiàn)是B的發(fā)送任務(wù)，于是向B發(fā)送響應(yīng)報文以執(zhí) 行該任務(wù)；A節(jié)點首先看到已經(jīng)沒有發(fā)送任務(wù)在調(diào)度，則從排隊隊列中選出優(yōu)先級最高的 加入掛起隊列，其后從掛起隊列中取出D的待發(fā)送任務(wù)，向D發(fā)送響應(yīng)報文以執(zhí)行該任務(wù)。 通過此調(diào)度方案，所有任務(wù)之間不會出現(xiàn)因為互相等待造成的無法執(zhí)行任務(wù)的情況，而動 態(tài)優(yōu)先級的設(shè)定也使得不會有任務(wù)永遠(yuǎn)得不到調(diào)度。
權(quán)利要求
1、一種利用定向天線的無線多跳網(wǎng)絡(luò)高速通信方法，其特征在于包含以下步驟1)將網(wǎng)絡(luò)環(huán)境劃分為不同的區(qū)域，使每個區(qū)域中均有一個可以利用定向天線收發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點；2)將區(qū)域之間需要發(fā)送的數(shù)據(jù)匯集到帶有定向天線的節(jié)點；3)定向天線發(fā)送節(jié)點通過無線鏈路與定向天線接收節(jié)點進(jìn)行協(xié)商；4)定向天線節(jié)點收發(fā)雙方進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；5)定向天線接收節(jié)點將接收的數(shù)據(jù)通過無線鏈路交付目的節(jié)點。
2. 如權(quán)利要求1所述的利用定向天線的無線多跳網(wǎng)絡(luò)高速通信方法，其特征在于-在所述步驟3)中的協(xié)商流程進(jìn)一歩分為以下歩驟3.1) 發(fā)送節(jié)點發(fā)送"請求發(fā)送"報文；3.2) 接收節(jié)點將該報文加入到掛起隊列的隊尾，并回復(fù)是否允許立即發(fā)送的"請求響 應(yīng)"報文；3.3) 發(fā)送節(jié)點收到回復(fù)后，若回復(fù)是可以立即發(fā)送，即轉(zhuǎn)歩驟4),發(fā)送數(shù)據(jù)；否則 暫緩發(fā)送，等待對方空閑后再轉(zhuǎn)歩驟4)。
3. 如權(quán)利要求1所述的利用定向天線的無線多跳網(wǎng)絡(luò)高速通信方法，其特征在于-在所述歩驟4)中，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，定向天線節(jié)點對待發(fā)送數(shù)據(jù)先進(jìn)行排隊調(diào)度和發(fā)送調(diào)度，其中排隊調(diào)度是指對待發(fā)送的數(shù)據(jù)排隊；每個節(jié)點維護(hù)一個待發(fā)送數(shù)據(jù)的排隊隊列， 一個進(jìn)入調(diào)度的掛起隊列，以及一個當(dāng)前 正在處理的數(shù)據(jù)傳輸單元；發(fā)送調(diào)度的過程是:節(jié)點在完成上一次調(diào)度后，首先判斷掛起隊列中是否有發(fā)送任務(wù)， 若沒有，則從排隊隊列中取出一個加入到掛起隊列中，然后從掛起隊列的隊首取出要處理 的新任務(wù)進(jìn)行處理，至此， 一次調(diào)度完畢，直到數(shù)據(jù)傳輸完成，丌始下次調(diào)度。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過低速的無線鏈路協(xié)商控制高速定向天線鏈路來實現(xiàn)大吞吐量通信的方法，屬于無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，主要解決在無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)中大吞吐量無線自組織通信的問題。本發(fā)明包括步驟1)將網(wǎng)絡(luò)環(huán)境劃分為不同的區(qū)域，使每個區(qū)域中均有一個可以利用定向天線收發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點；2)將區(qū)域之間需要發(fā)送的數(shù)據(jù)匯集到帶有定向天線的節(jié)點；3)定向天線發(fā)送節(jié)點通過無線鏈路與定向天線接收節(jié)點進(jìn)行協(xié)商；4)定向天線節(jié)點收發(fā)雙方進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；5)定向天線接收節(jié)點將接收的數(shù)據(jù)通過無線鏈路交付目的節(jié)點。本發(fā)明可以充分利用周圍無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，輔助長距離大吞吐量收發(fā)設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸。
文檔編號H04L12/28GK101159642SQ20071012158
公開日2008年4月9日 申請日期2007年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月10日
發(fā)明者劉昭屹, 威 吳, 忠 周, 靖 曹, 趙沁平 申請人:北京航空航天大學(xué)